（机械电子工程专业论文）弧面分度凸轮开放式cnc创成系统开发.pdf

山东大学硕士学位论文 捅要 j 凸轮分度机构是近三十年发展起来的一种新型分度机构，它不仅分度精度 高，传动平稳，而且结构紧凑，传递扭矩大寺别适用于高速、高精分度。设计 时，在分度运动段，可设计成适于各种工作场合的最优运动曲线，从而在运动平 稳性、降噪、延长机构使用寿命等方面都具有良好性能，但弧面分度凸轮的特 点是加工难，因此研究其运动规律和凸轮成形原理具有重要意义。 在众多的运动规律中，由于修正正弦运动规律的4 、两者都比较小，j 。 也不太大，综合性能很好，适用于中速的情况( 重载、轻载皆宜) 的优点而常被 采用。 弧面分度凸轮的加工原理和其啮合原理是一致的，即在加工时用和滚予一 ， 致的刀具根据其啮合运动规律范成，其优点是避免了刀具长度补偿和半径补偿。j 系。 由于弧面分度凸轮在分度运动段是变速运动，加工时进给速度变化剧烈， 容易磨损刀具，同时使误差变大。为了解决这个问题，本文对迸给速度进行了 修正。 ， f 基于w i n d o w s 操作系统，运用面向对象的分析方法，建立了弧面分度凸轮 开放式c n c 创成系统。该软件采用功能强大的v c + + 6 0 设计，它包含了参数 输入模块、从动件运动规律模块、刀位轨迹模块、代码修改模块、文件读写模 块、中断控制模块、两轴联动插补模块、凸轮加工模块。开发了基于p c 总线 的内嵌式c n c 创成系统，在加工机床上的应用实践，表明开发的开放式c n c 创成系统是可行的，成功的。，一， 关键词：弧面分度凸轮、数控创成、开放式结构。 一、一_ _ 一一 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t n o w a d a y sc a mi n d e x i n gm e c h a n i s mi st h el a t e s ti n d e x i n gm e c h a n i s m d u r i n gt h i r t yy e a r s i th a sa d v a n t a g e so v e rn o to n l yh i g hi n d e x i n gp r e c i s i o n ， s t a b l et r a n s m i s s i o n ，b u ta l s ot i g h ts t r u c t u r e b i gt r a n s m i t t i n gr e t o r t i o na n d s u i t a b l ef o rf a s tv e l o c i t ya n db i gi n d e x i n gp r e c i s i o n m o s to p t i m a lm o b i l e c u r v ec a nb ed e s i g n e df o re v e r yc a s ei ni n d e x i n gp h a s e t h u si th a sg o o d p e r f o r m a n c ei ns t a b l em o v e m e n t ，l o wy a w p a n d p r o l o n g i n gm e c h a n i s m l i f e b u t g l o b a li n d e x i n gc a m i sd i 仃j c u l tt om a c h i n e i th a s i m p o r t a n te f f e c te f f e c to n r e s e a r c hf o rm o b i l ea n dm a c h i n i n g p r i n c i p a l c o r r e c ts i nm o b i l em e t h o dj so f t e n a d o p t e da m o n gm a n ym o b i l e p r i n c i p a l b e c a u s ei th a ss o m e a d v a n t a g e s o v e rs m a l la mv ma n dj mn o t v e r y b i ga n dg o o di n t e g r a t e dp e r f o r m a n c ea n ds u i t a b l ef o rm i d d l ev e l o c i t y a c c o r d i n g t om o b i l ep r i n c i p a l ，i ti sj o g g l e du s i n gt o o li d e n t i c a lt or o l l e r i th a s a d v a n t a g e o v e r a v o i d i n g t o o l l e n g t hc o m p e n s a t i o n a n dr a d i a l c o m p e n s a t i o n o p e n a r c h i t e c t u r ef o rn c s y s t e m i sc u r r e n t l yt h em a i ns t r e a mi nt h ea r e a o fn c t e c h n o l o g ya n d t h em o s t s i g n i f i c a n tc h a r a c t e r i s t i c so fw h i c ha r eo p e n ， m o d u l ee x t e n d i b l e ，p o r t a b l ea n ds c a l e a b l e t h ep a p e rm o d u l e st o o p e n a r c h i t e c t u r ef o rn cs y s t e ma n dg i v em a p p i n gr e l a t i o nb e t w e e na b n o r m a l c a m b e c a u s em o b i l el i n k a g e v e l o c i t y i s c h a n g e a b l ei ni n d e x i n gp h a s ef o r g l o b a li n d e x i n gc a m ，t h ev e l o c i t yc h a n g ei sa c u t ea n dp r o n et ow e a rc u t t e r a n d b r i n g sb i gm a c h i n i n ge r r o r t h ep a p e rc o r r e c t st h el i n k a g ev e l o c i t y b a s e do nw i n d o w s o p e r a t i n gs y s t e ma n do b j e c t - o r i e n t e dt e c h n o l o g y , a p c b a s e do p e na r c h i t e c t u r ec n c h o b b i n gs y s t e mh a sb e e nd e v e l o p e d t h i ss o f t w a r ea d o p t ss t r o n gf u n c t i o nv i s u a lc + + 6 0d e s i g n i ti n c l u d e ss o m e m o d u l e ss u c ha sp a r a m e t e r i n p u tm o d u l ed r i v e np a r tm o b i l em e t h o dm o d u l e t o o lt r a c km o d u l ea x bc o r r e c t i o nm o d u l el i e r e a d i n ga n dw r i t i n g m o d u l e i n t e r r u p t i o n c o n t r o lm o d u l e 、2a x e sl i n k a g e i n t e r p o l a t i o nm o d u l ea n dc a m m a c h i n i n gm o d u l e i tp u t si n t op r a c t i c es u c c e s s f u l l y k e yw o r d s ：g l o b a li n d e x i n gc a m ，c n cd e v e l o p m e n t ，o p e na r c h i t e c t u r e - i v 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1凸轮机构在自动机械中的作用0 7 i 当前机械产品正沿着两个方向发展：一是大型化、自动化、精密化、高速 化和成套化，二是小型化、多功能、结构简单、使用可靠成本低廉。在此发展 进程中，各种各样的自动机械占有令人瞩目的重要地位。 随着电子技术的发展。微机控制的自动机械也有了较快的发展。然而由于它 受运行速度、可靠性与价格等因素的限制，在较长时期内仍然不可能大量取代 采用凸轮及其组合机构的自动机械，以凸轮机构为核心，已发展出成千上万种高 效、小型、简易、精密、价廉的自动机械，遍布各行各业。例如自动包装机、自 动成型机、自动装配机、自动机床、纺织机械、农业机械、印刷机械、自动办 公设备、自动售货机、电子元件的自动加工机构、自动化仪表、服装加工机构 以及各种轻工自动机械等。 凸轮机构之所以能在上述自动机械中获得如此广泛的应用，是因为它兼有 传动、导向及控制机构的各种功能。当凸轮机构用作传动机构时，可以产生复 杂的运动规律，包括变速范围较大的非等速运动，及至暂时停留或各种步进运 动。凸轮机构也适宜于用作导向机构，使工作机构产生复杂的运动轨迹。当凸 轮机构用作控制机构时，可以控制执行机构的自动工作循环，或作为函数发生 器。凸轮机构作为机械式运动传递与信息储存的基本元件时，具有构件数少和 空间体积小等固有的特点。当然，由于凸轮机构是高副机构，制造较难，其应 用范围受到一定的限制。 随着计算机辅助设计计算机辅助制造( c a d c 吣技术的日益酱及，新材 料与热处理新工艺的发展，凸轮的设计与制造已变得十分方便而精确，凸轮的 使用寿命大幅度延长，制造成本不断下降。可以预计，凸轮机构在自动机械中 的应用范围，将越来越广泛，其工作性能将获得明显的改善，从而将更好地促 进自动机械的发展 山东大学硕士学位论文 1 2 分度凸轮机构概述2 1 1 6 1 1 3 1 1 ”i 凸轮式分度机构已成为间歇运动机构发展方向，它主要由凸轮和带有滚子 的分度盘组成，通过凸轮推动分度盘步进运动。该机构把凸轮的连续运动转换 成为分度盘的间歇转动。分度盘时转时停，而且是按最佳规律转动，因此该机 构具有良好的运动性能和动力性能。 凸轮式间歇机构与传统的间歇机构相比有如下特点：( 1 ) 传动平稳，适于 高速分度，每分钟分度次数可达几百次甚至超千次( 国外有用到两千次的) ；( 2 ) 分度准确，分度精度可达1 0 ”( 一般3 0 ”) ；( 3 ) 结构简单、紧凑，分度盘 的转位、刹车、定位全由凸轮控制实现，不需另加刹车和定位装置。( 4 ) 传递 转矩大。( 5 ) 产品标准化、系列化、有专业化厂家生产。 凸轮式间歇( 分度) 机构由于具有高速性和精密性，因此不仅用于高速精 密分度，也用于低速精密分度。 分度凸轮机构主要有三种类型： ( 1 ) 平面分度凸轮机构( 平行分度凸轮机构) 凸轮由两片形状完全相同 的盘形凸轮 、b 组成，安装时a 凸轮的背面与b 凸轮的背面相对 并叉开一个相位角。分度盘上的滚子分成上下两层，传动时上下两 层滚子分别顺次与a 、b 凸轮相接触) 凸轮轴线、分度盘轴线、滚 子轴线相互平行。该机构属于共轭凸轮机构，缩小中心距可消除传 动间隙。当凸轮轴等速旋转时，滚子从动盘作间歇转动，可以代替 槽轮机构从而大大改善了转位起始与终止时的运动特性，避免 了槽轮机构在这两段时间内难以克服的冲击振动。这种机构最先由 美国发明，在日本得到充分的发展形成系列化产品 图1 1 平行分度凸轮机构 山东大学硕士学位论文 ( 2 )圆柱分度凸轮机构，凸轮呈圆柱状，凸轮轴线与分度盘轴线垂直交 错，滚子轴线与分度盘轴线平行。由于传动间隙难以消除，因此高 速性和精密性不如平面或弧面分度凸轮机构，但因圆柱分度凸轮加 工容易些，因此该机构i ：1 前应用场合和产量还比弧面分度凸轮机构 多。这种间歇转化机构尤其适用于分度数较多的场合，加工比桶形 凸轮容易，但传动精度较差，影响了工作速度的提高，故多用于中、 低速自动机械上。 图1 2 圆柱分度凸轮机构 ( 3 )弧面分度凸轮机构( 又称蜗杆凸轮机构、福克森机构) 凸轮呈圆弧 回转体状，凸轮与分度盘轴线垂直交错，滚子在分度盘上均布、辐 射状安装，滚子与分度盘轴线垂直相交。该机构如弧面( 环面) 蜗 杆传动，凸轮相当蜗杆，分度盘相当于蜗轮，滚子数相当于蜗轮齿 数；蜗杆传动中，蜗轮连续等速转动，而分度凸轮机构中，分度盘 是间歇的非等速运动。 山东大学硕士学位论文 图1 3 弧面分度凸轮机构 弧面分度凸轮机构性能最好，是当今世界上最新式最理想的高速精密分度 装置，有更广阔的应用前景，应用例子如高速冲床、矽钢片高速冲槽机、洗衣 粉自动计量包装机、电池自动生产线、点焊机转位、印刷机、加工中心换刀装 置等。更多的应用领域还有待于广大工程技术人员去开发。 1 3 弧面分度凸轮机构的研究1 1 6 i 一弧面分度凸轮概述 弧面分度凸轮又称径向蜗形凸轮或者滚子齿形凸轮，是由球形凸轮( 弧面 凸轮) 和安装在从动轮圆周外径向方向的滚子从动件组成。该从动轮很象一个 齿轮轮齿，输入轴和输出轴成直角交错，滚子齿形的分度范围在2 - 2 4 等分中选 取，并可得到附加停顿和特殊的运动。 上一节中提到，弧面分度凸轮性能最优，这一点可从如下四个方面来分析： ( 1 ) 凸轮廓面是按最佳动力性能的运动规律设计的，又在数控机床上按 包络原理：j n - r 出来，无理论误差；凸轮廓面热处理后还能磨削，为 保证分度盘分度准确，分度盘甚至装在光学分度头上来加工均布的 滚子轴孔。 ( 2 ) 中心距可调，能在凸轮与滚子间加有预应力，消除了传动间隙。 ( 3 ) 分度盘停歇时，分度盘上相邻两个滚子卡在凸轮的凸脊上，定位准 确，可靠。该机构兼有分度、定位、自锁三个功能，不需另加制动 和定位装置。 ( 4 ) 机构刚度大，强度高，寿命长。据日本一资料介绍，对该机构进行 实验室实验，每分钟分度达6 0 0 0 次时，传动系统的其他一些零件失 效了，但该机构还完好无损。 弧面分度凸轮机构存在的一个问题是加工难、售价高；但因功能成本低， 推广应用弧面分度凸轮机构还是大势所趋。 二 国内外发展状况 弧面分度凸轮机构三十年代诞生于美国，目前只有少数几个国家可以生产。 日本高广公司买美国专利1 9 7 4 年开始生产，产品规格齐全，小的中心距可小于 山东大学硕士学位论文 25 m m ，大的中心距超过8 0 0 r a m ：每分钟分度次数可达2 0 0 0 次：分度精度一般 3 0 ”，但有10 ”的产品。 我国从七十年代开始研制。上海工大、山东工大、吉林工大、天津大学、 合肥工大、西北轻工业学院”。“1 、大连轻工业学院、上海工程技术大学等院 校的有关同志在啮合原理、廓面加工、凸轮动态和静态检测、优化设计和 c a d c a m 等方面做了大量的工作，取得了一批研究成果。目前国内也有少数厂 家可以少批量生产该机构，山东诸城锻压机床厂产量最大，是机械工业部定点 厂，另有西安第一钟表机械厂、常州电池厂、上海工程技术大学等单位也能生 产该机构。目前国内该产品轴间距4 5 3 0 0 m m ，分度速度可达7 0 0 8 0 0 次分， 分度精度一般3 0 ”，也可达到1 0 ”。国内产品可以代替进口产品。 目前国内生产弧面分度凸轮机构存在的主要问题有： ( 1 ) 规格不够全，日本高广、三木公司有3 2 0 种规格，国内只有几十种。 ( 2 ) 工艺不够先进，缺少专用数控加工设备，廓面磨削问题尚未很好解 决；检测手段跟不上，特别是凸轮廓面的静态检测研究尚少。 ( 3 ) 标准化工作尚要加强，目前产品的行业标准草案i q u n i j 起草完。 ( 4 ) 凸轮机构实用的优化设计、实用的c a d c a m 尚需完善，目前上一个 新规格产品周期还较长。 ( 5 ) 批量生产能力不足。 ( 6 ) 宣传、推广工作亟待加强，应使广大设计技术人员掌握应用该机构。 我国对弧面分度凸轮机构的研究开始于对其几何学运动学的研究。7 0 年代 末8 0 年代初，首先对弧面分度凸轮机构的传动压力角、凸轮啮合曲面的曲率半 径、从动滚子的转速、凸轮廓面曲面、接触线方程等进行了比较深入的探讨。 接着有许多文献采用向量回转、矩阵以及空间回转变换张量的方法，对弧面分 度凸轮机构的几何学、运动学及啮合原理等方面进行了全面系统的研究，推导 了凸轮曲面方程、接触线方程、相对滑动速度、传动压力角、滚子与凸轮曲面 的诱导曲率、凸轮截面廓形、根切条件等一系列计算公式，建立了弧面分度凸 轮机构的几何学运动学基础。在此基础上，许多文献还对弧面分度凸轮的预紧 干涉和啮合间隙问题进行深入的讨论，并指出了i 型结构和i i 型结构各自不同 传动特性。以上这些都为弧面分度凸轮机构的设计及制造提供了坚实的理论基 础。除此之外，近几年国内还发表了一些关于点啮合方式弧面分度凸轮机构啮 山东大学硕士学位论文 合原理及滚子修形原理等方面的文献，这标志着我国在弧面分度凸轮机构啮合 原理理论研究等方面达到了一个新的阶段。 国内关于弧面分度凸轮结构设计的文献较少，所研制的弧面分度凸轮机构 样机基本是参照国外同类产品的样机或样本进行设计。在结构方面也有一些大 的改进，如从动盘锥形涨套定心结构、对小规格的弧面分度凸轮机构采用从动 盘与从动轴一体结构、凸轮与从动盘的直线式调整中心距结构、多片从动滚子 机构及抗冲载荷结构等。特别是国内已研制了点啮合式新型弧面分度凸轮机构， 并已申请了国家专利。在设计方法上已开始采用了计算机辅助设计，不仅可以 实现对结构参数、运动参数的优化，而且还可以对系统的运动特性进行计算机 仿真，提高了设计质量和设计水平。特别是已经建立的一些c a d 系统，已经可 以根据设计要求，绘制出全套装配图及零件图，达到了国际先进水平。在弧面 分度凸轮机构的应用方面，除了应用在多工位自动机械上之外，也已经开始应 用在加工中心换刀机械手等机械手或机器人上，由我国自己设计制造的弧面分 度凸轮式a t c 换刀装置已经在国产加工中心上安装使用。 仅靠提高精度并不能保证系统有良好的动态特性，特别是对于高速、高精 度弧面分度凸轮机构，动力学研究已经成为重要的研究课题。传统的分析设计 方法是把系统简化为多刚体的联接，其理论基础是刚体运动学，然而事实上凸 轮体本身是有弹性交形的，从动件到凸轮轮廓的中介环节滚子及滚子轴等也都 是可变形的，它们的动力响应都将影响系统的工作性能。有一些文献建立的单 自由度和双自由度振动模型，用哈美和振型迭加原理导出了响应公式，并分析 了响应特性。又有文献将复杂的凸轮机构简化为多自由度方向的动态模型，并 考虑间隙、阻尼、和油膜挤压的影响，分析了凸轮机构的受力情况，建立了运 动微分方程，采用有限差分法求解非线形问题，编制了整个动态连续模拟的 c s d y c a m 计算机系统，绘制了考虑各种不同影响因素的凸轮机构动态特性图和 图谱，为高速凸轮机构设计提供了动力学基础。还有的运用可变形多剐体系统 运动学、接触力学及概率分析方法的新成果，从多刚体动力学、弹性接触力学 及概率分析方法，介绍了凸轮机构动力学的研究方向，开辟了凸轮机构动力学 研究的新领域。另外，通过采用优化后的跃度连续的通用简谐梯形组合凸轮曲 线，大大改善了系统动力学特性，降低了残余振动幅度，为提高中高速凸轮机 构动态特性提供了新的途径。 山东大学硕士学位论文 弧面分度凸轮机构制造的关键是弧面分度凸轮的加工。在国内，对于弧面 分度凸轮的加工开始是采用滚齿机改造或其他机床改造后的凸轮专用加工机床 进行加工，也有采用引进的五坐标联动加工中心进行加工。西北轻工业学院及 西安钟表机械厂研制成功了n t - x k 5 0 0 1 型弧面分度凸轮专用数控立式铣床“； 山东工业大学及诸城锻压机械厂研制成功了计算机控制两坐标联动凸轮专用精 密磨削装置研制成功“1 ，使磨削后的凸轮轮廓精度已高达0 0 0 2 m m 。分度精度已 达7 ，分度速度达8 0 0 r m i n 。目前，国内除机械工业部定点生产厂山东诸城锻 压机床厂批量生产之外，西北轻工业学院、天津大学、大连轻工业学院、上海 工程技术大学、西安钟表机械厂、常州电机厂等单位和厂家也都能设计和制造 各种规格的弧面分度凸轮机构。设计与制造一体化的弧面分度凸轮机构的 c a d c a m 系统也都在建立，有的已经达到了使用阶段。 弧面分度凸轮机构的检测仍然是一个比较薄弱的环节，一般生产厂家由于 凸轮轮廓几何形状误差检测困难而都不予检测，这就影响了凸轮分度机构的精 度。吉林工业大学提出了弧面分度凸轮轮廓曲面的计算机辅助间接测量法，即 让凸轮转动，推动尖顶摆动测量杆摆动，测出摆动测量杆的角位移，再将测褥 的数据通过计算机处理，对该廓面进行评定：同时，还提出了在三坐标测量机 上检测弧面分度凸轮轮廓误差的方法，解决了弧面分度凸轮轮廓几何量静态测 量的难题。在机构的整机检测方面，上海工业大学首先采用压电晶体加速度传 感器和磁带记录仪通过空间凸轮机构的从动分度转盘记录输出信号，然后利用 动态信号分析仪进行信号的分析处理，以得出空间分度凸轮结构的运动规律和 动态特性。天津大学应用微机系统结合光电转换技术，根据输入轴旋转任意时 刻对应测取输出轴转角，朝机构转角输出规律，然后经过一次数值插商和二次 数值插商分别得出机构角速度运动规律和角加速度运动规律。山东工业大学集 机械、电子传感器和控制技术于一体，研制了高精度空间分度凸轮机构动态性 能检测系统，设计了专用机械测试台可测试机构的位移、速度、加速度和跃度 四种曲线及其数据，并提出了在较低速度下测运动参数，高速下测动态定位精 度和根据所测数据估计任意速度下的运动参数的原理和方法。1 9 9 4 年由吉林工 业大学牵头，参照圆柱蜗杆传动和环面蜗杆传动的精度标准，提出了弧面分度 凸轮机构的精度指标体系，规定了弧面凸轮复杂曲面的检验项目，并制定了弧 面分度凸轮机构精度的部颁标准，从而为弧面分度凸轮机构的检测奠定了基础。 山东大学硕士学位论文 1 4 本课题的研究方向 目前我国在数控分度凸轮加工技术上比较落后，所以研究适合国情的成本 低廉、性能可靠的中、高档c n c 系统及中、高档数控机床，以改善我国分度 凸轮加工生产环境和技术落后的面貌提高分度凸轮加工精度和其动态性能是 十分必要的。开放式、可重构、柔性化c n c 系统为解决这一问题提供了途径。 并且随着异型齿廓功能表面的发展和研究需要对开放式、可重构、软件化、柔 性化c n c 系统进行深入研究。 本课题主要研究内容如下： ( 1 ) 对开放式、可重构、柔性化c n c 系统进行理论建模，并讨论其实 现技术。 ( 2 ) 通过对分度凸轮加工中的运动分析、作原理、加工原理分析，对加 工轨迹进行建模。 ( 3 ) 在现有的条件基础上，建立开放式、可重构、柔性化异型功能齿廓 c n c 数控软件平台。 山东大学硕士学位论文 第二章弧面分度凸轮运动规律的研究 2 1 传递函数的类型 凸轮机构作为传动机构或控制机构，最重要的特性是它的传递函数。如图 2 1 所示，其输入量一般是时间t 。如果凸轮轴刚度很大，且以角速度缈作等速 转动，输入量也可采用转角0 。输出变量一般是从动件的位移s 图2 1 凸轮机构传递函数 假如所有构件都具有理想的刚性，而且全部运动副都无间隙，则从动件的输出 位移与凸轮轮廓曲线具有相同的运动规律。一般说来，从动件输出位移s 随输 入时间t 而变化，其函数式为s = 珂t ) 称为凸轮机构的位移传递函数。在凸 轮机构中，都可以归结为三种基本运动规律，即双停留、单停留、无停留运动 规律，其中，双停留运动规律是凸轮机构最常用的运动规律。也是连杆机构和 其他机构不易实现的运动规律。 2 2 运动参数的无因次化 从2 1 中看到，对凸轮机构的运动规律的要求是千差万别的。为了便于研究 这些运动规律的共同特性，常常把输入量时间t 、位移v 、加速度a 等运动参 数进行无因次处理，变成用大写字母表示的相应无因次量，其定义如下： t ：三 “ s = 三 h ( 2 - 1 ) ( 2 2 ) 山东大学硕士学位论文 v 一等= 旁 亿s ， a = 粤：名一 ( 2 - 4 ) 。 舾矛2 可 ) 8 j _ d 3 _ _ f f _ s 2 弦j ( 2 - 5 ) q 2 矛d 4 s 。死q ( 2 - 6 2 3 运动规律的特性值 评价各种运动规律，常常按照一些与运动学或动力学有关的 特性值。通过这些特性值的比较，可以大体分析出凸轮机构选用 这种运动规律时的运动或动力特性，甚至可以反映出工作行为、 结构成寿命等方面的基本趋势。运动规律常用的特性值有以下几点： 1 最大速度v 众所周切，凸轮机构的轮廓压力角一般随速度的增大而增加。压力角过大， 会导致磨损加剧，效率下降，甚至自锁咬死。为了减小压力角，应选用v 。较 小的运动规律。如果压力角选定时，孜小的v 。可以得到较小的基因半径，因 而能减小凸轮机构的尺寸。低速机构一般按v 。较小的原则选用运动规律。 此外，工作机构的速度越大，工作机构的动量越大，当因意外事故而要求 紧急制动时，工作机构的动量即会转变成巨大的冲量。因此，从保证工作机构 的安全角度看，也希望选取v 较小的运动规律。 2 最大加速度a 。 前面讲过，在高速凸轮机构中，与加速度成正比的惯性力是载荷的主要组 成部分。较大的惯性力不但位构件受力增加，构件之间磨损加剧，由于振动分 山东大学硕士学位论文 量的存在，还导致从动件振动加大，严重影响工作精度。因此，a 。是选用运动 规律时必须考虑的主要特性；特别是在中、高速机构中，更要选用较小的a 。 速度与加速度的增加还导致轮廓曲率半径的减小，使接触应力增加。 3 加速度均方根值彳 厂一 加速度的均方根值定义如下：4 。= 【a 2 d t ( 2 - 7 ) - 这个特性值可以看成是运动规律的加速度值的一个均值度量，反映了机构 受惯性力作用后偏离平均位置的动力扭曲程度。在对动作精度要求比较严格的 凸轮机构中，应选用彳。，较小的运动规律。 4 动载转矩特性值( 彳y ) 后面将会看到，与动载惯性力对应的凸轮轴转矩正比于( a v ) ，它的最大 值“矿) 。决定动载转矩的最大值。为了减少凸轮轴转矩，降低电动机功率， 应选用似矿) ，较小的运动规律。 5 动载转矩变化率特性值f 。 动载转矩对时间微分，得到它的变化率为f = v j + a 2 它的最大值r 一般出现在动载转矩特性值( a v ) 反号处，即t = 0 5 附近的 a = 0 处，在几何封闭凸轮机构中，应选用f 较小的运动规律。 6 最大跃度j m 和最大跳度q 。 在高速机构中，要求高阶导数值连续，而且绝对值尽量小，以便减少机构 的振动，提高工作机构的运动精度。作为位移三阶导数的跃度j 和四阶导数的 跳度q 通常要求控制其最大跃度j m 或q 。不要超过某一数值。例如，在后面将 要讨论的高速凸轮机构的轮廓动力学综合中，为了保证综合后的轮廓光滑，要 求运动规律的q 。较小。 2 4 基本运动规律的选用 在分析了凸轮机构中的运动特性值后，为了获得优良的运动特性值，在自 动机械凸轮机构中，应用最广泛的由简谐与梯形曲线组合而成的所谓通用曲线， 尤其是它的三种情况：修正等速度、修正梯形和修正正弦曲线。这里重点介绍 山东大学硕士学位论文 用的最多的修正正弦曲线。 修正正弦运动规律：这种曲线是在余弦曲线的两端各加上一段正弦曲线作 过渡曲线( 见图2 2 ) 这样，既保持了余弦曲线、以两者都比较小的优点， 又克服了其两端加速度不连续的缺点。当然，修正后仍保持对称性，即瓦= l l 两端的正弦曲线的周期都是4 t a ，而当中的余弦曲线的周期由修正前的2 压缩 为2 4 t o 由节点的边界条件可求出下列特性值表达式： 开2 爿m = 2 - ( 8 兰- 一2 1 r ) t ( 2 - 8 ) = 兰巴( 2 9 ) 厶2 乏以 ( 2 - 1 0 ) 显然，l 越接近于零， 越小，v t 瞒d 、，但厶却增大l 可在o 一1 4 之间 变化。当l 卸时，变为余弦曲线：t = 1 4 时，变为正弦曲线，l 取在区间 o ， 1 4 的d 3 i n 较为合适，即t = 1 8 ，这时的特性值为：以= 5 5 3 ，匕= 1 7 6 ，厶= 6 9 5 2 5 凸轮机构运动规律的选用 对自动机械凸轮机构运动曲线的的研究，随着数学与计算机的发展而日益 深入和完善，获得了如前所属的众多凸轮曲线。它们的特性值综合在表2 4 中， 供用时参考。对于上表所列各种曲线的选用原则可以归纳如下： ( 1 ) 低速机构应选吒较小的曲线，l 值允许较大。 ( 2 ) 中速熏载情况，应选与( a v ) 较小的曲线，以改善受力条件。 ( 3 ) 中速轻载情况，应选用4 与l 较小的曲线，以保证从动件运转 时的工作精度。 ( 4 ) 中速几何封闭型凸轮机构，应选f 较小的曲线，使横越冲击产生 的噪声与磨损尽可能减少。 对工作精度要求较高时，为了减少动载扭曲，应选爿，较小的曲 s v 山东大学硕士学位论文 0t 。t 图2 2 修正正弦运动规律 - 1 3 t t 山东大学硕士学位论文 ( 5 ) 结构固有频率较低的凸轮机构，选用曲线时要使最高阶谐波频率 低于固有频率。 ( 6 ) 凸轮轮廓进行动力学综合时，为了轮廓光滑，要选幺较小的曲 线。 与修正等速度、修正梯形曲线相比，修正正弦曲线的优点是a 。、两者 都比较小，j 。也不太大，综合性能很好。因此，这种曲线通用性最强，适用于 中速的情况( 重载、轻载皆宜) 。特别是在负载情况不明时，用该曲线最为保险。 另外，在常用的双停留标准曲线中，修正正弦曲线具有最小的( a v ) 值， 0 矿) 。= 5 4 6 。因此在其他条件相同时，使用这种曲线可使动载转矩最小。 一般的说，修正正弦曲线时比较理想的双停留标准曲线。 2 6 精密分度凸轮机构设计应考虑的问题7 i 1 精确的零件设计 设计机构要有很高的精度和耐用寿命，因而各种零件要有一定的精 度和良好的制造工艺和热处理工艺，尤其啮合表面需要有很高的硬度， 输入，输出轴和法兰要有一定的刚度，高精度的凸轮从动件也要给予某 些操作保养，从而保持分度机构高精度和长寿命。 2 凸轮的尺寸 为了节省空间，降低重量，减少惯性作用，缩短从动件位移行程，希望凸轮 基圆的尺寸越小越好，这样会减少磨损。 ( 1 ) 凸轮体宽度b 合适的凸轮体宽度b 能保证分度运动的连续性。宽度太 窄，会导致前一个滚子脱离与轮廓的啮合时。后一个滚予还没有进入 与另一个轮廓的啮合状态；但太宽也没有必要，不仅增加了加工量， 并可能出现与其它滚子的位置干涉，因此b 保证适当的啮合重叠段为 宜。 山东大学硕士学位论文 2 ( 1 一) b h b = h d h ：6 + d ：2 1 s i n 竺 式中：b 一凸轮体宽度： l 一从动盘滚子节圆半径； r 一从动盘滚子半径 d 从动盘滚子直径 z 一从动盘滚子数 h 一最大升程 凸轮体最大最小外径蹴体外径太大将浪费材料，增加惯量：过小使 啮合的滚轮不能完全接触。因此 卜； 最大外径：= c 一p 一等 最小外径：r m = c - - l 式中，c 一中心距 三，一从动盘滚子的节线半径； b 一凸轮体宽度 凸轮轴直径凸轮轴的直径由应力和挠曲度等因素来确定，也要有足 够的尺寸来满足轴和键槽的尺寸需要。 凸脊厚度凸脊的厚度包括分度廓面和停顿廓面对于径向蜗形凸轮，凸 脊截面的形状有两种( 图4 2 所示) i 型结构，当分度盘停歇时，与凸脊接触的两滚予相邻，这两滚子轴线与凸 轮轴线不垂直；r l 型结构，当分度盘停歇时，与凸脊接触的两滚子不相邻。 插入凸轮中部凹槽内的滚子轴线垂直于凸轮轴线凸脊有单头和多头之分，其 螺旋线方向有左旋和右旋之允凸脊的最小厚度应使凸脊有足够的强度和刚 度。 3 精密的凸轮从动件 ) ) ) o 山东大学硕士学位论文 凸轮驱动分度机构利用的是从动件和凸轮间一个很小的弹性变形力，是 没有预载荷的，在没有弹性变形力时往往会产生严重的振动和反向冲击，或 传动闪动，结果在分度运动和停留时会导致凸轮和从动件过早磨损。采用预 载设计时，因凸轮从动件与凸轮是滚动硬接触，这种滚动接触会有小的振动， 我们设法消除轴承间隙维持零的反向冲击，消除传动闪动，延长从动件寿命， 维持输出确定的控制运动。另外在输出、输入轴的支承端都选用精密轴承， 这样无论是在径向载荷和横向载荷作用下，从动轮和凸轮都能保持固定的精 确位置，精确的旋转和分度精度以及机构的长久寿命。 4 凸轮精密分度机构的其它参数 输入轴方式。有左单向输入、右单向输入、两端输入。 输出轴方式。输出轴为法兰式、轴式和锥台式。 输入轴、输出轴类型。输入轴、输出轴端有圆柱型，圆锥型和空心型。 精度等级。分高精级( g ) 、精密级( j ) 和普通级( p ) 。 中心距。我国规定中心距为4 0 4 5 0 m m ，其公比= 1 2 5 与蜗杆中心 距系列相一致。 分度数规定。等分数：2 ，3 ，4 ，5 ，6 ，8 ，1 0 ，1 2 ，1 6 ，2 0 ，2 4 。 分度角为9 0 。，1 2 0 ，1 5 0 ，1 8 0 ，2 1 0 ，2 4 0 ，2 7 0 ，3 0 0 ，3 3 0 。 标准规定9 0 3 3 0 间距是3 0 2 7 本章小结 本章在系统传递函数的建立、运动参数无因次化、运动规律特性值要求、 比较了几种常见运动规律后，得出修正正弦运动规律是比较理想的运动 规律。 山东大学硕士学位论文 第三章弧面分度凸轮机构的工作原理和加工原理 3 1 弧面分度凸轮的工作原理 3 1 l 引言1 1 2 1 弧面分度凸轮机构( 见图3 1 ) 用于两垂直交错轴间的间歇分度步进传动。凸 轮为主动件，形状为圆弧回转体，轮廓制成凸脊状，也有制成沟槽状，一般作 等速连续旋转，从动件为一转盘，其上装有z 个轴线沿径向均匀分布的滚子。 当凸轮旋转时，其分度段齿廓推动滚子，使转盘分度转位：当凸轮转到其停歇 段齿廓时，转盘上的两个滚子跨夹在凸轮的圆环面凸脊上，使转盘停止转动。 从而实现了间歇分度运动。对于沟槽状凸轮，当凸轮停歇时，转盘上的一个滚 子在沟槽里，两个滚子在凸轮工作面上。 3 1 2 啮合特性1 1 4 1 弧面分度凸轮的工作轮廓一般应按空间包络曲面的共轭原理进行设计计算。 根据共轭曲面原理，凸轮工作廓面与从动转盘的滚子间对对应的共轭接触点必 须满足三个基本条件。首先，在共轭接触位置，两曲面上的一对对应的共轭接 触点必须重合。其次，在共轭接触点处，两曲面间的相对运动速度必须垂直于 公法线。最后，两曲面在共轭接触点处必须相切，不产生干涉，且在共轭接触 点的邻域亦无曲率干涉。从展开看其啮合特性： 图3 2 a , 3 2 b 为i 、型凸轮结构的近似展开图i 型结构的特点是，当凸轮 直线段凸脊i 与滚子2 、3 啮合时从动盘处于停歇期，此时相邻的两滚子2 、3 跨夹在凸轮直线段凸脊i 上以保证准确的定位；当凸轮旋转至对应曲线段凸脊 i i 与滚子啮合时，凸脊i i 左侧廓面a b 推动滚子转动实现从动盘分度，凸脊i 右侧轮廓面a b 虽不传递动力，但和左侧须符合同样的运动规律，以免发生干 涉；当凸脊推动滚子3 至从动盘分度中点位置m l n 时，从动盘分度加速段结 束，对应曲线段凸脊，从动盘进入分度减速段在高转速工况下，从动盘由 山东大学硕士学位论文 加速进入减速的瞬时，由于从动系统惯性作用，惯性力矩将大于驱动力矩和阻 图3 1 弧面分度凸轮运动啮合图 力矩，出现从动盘推动凸轮的现象，即滚子l 与凸脊i i i 右侧曲面c d 啮合传动， 从加速到减速过渡的位置( m m ) 称为“跨越点”，在跨越点将出现啮合滚子的更 换，若滚子与凸脊间存在侧隙，则预压释放，产生振动和冲击图3 b 所示 型结构特点是，从动盘处于间歇时凸轮凸脊的直廓部分( i 、) 与从动盘相间的 滚子1 、3 啮合实现间歇定位在分度过程中凸轮曲线段凸脊与滚子1 、2 始 终接触，驱动从动盘形成一个由加速到减速的完整分度过程，无需更换凸脊与 受力滚子，因而可通过有效控制滚子l 、2 与凸脊的预压来减小分度过程中( 其 是跨越点) 的冲击和磨损 一 从 动 盘 旋 向 w 孬 m ：d 7 汀 ia i 叫 _ 了疋厂丁 图3 2 a 凸轮薄转方向 从 动 盘 旋 向 卫m ( 2 鬻 皆酥 山东大学硕士学位论文 如果想明确说明整个凸轮机构的空间关系，必须建立四组右手直角坐标 系，两动两静。第一个是以转盘中心为坐标原点的定坐标系：第二个是以转盘 中心为原点的动坐标系，这个坐标系绕过转盘中心、垂直于转盘平面的轴旋转。 第三个是固定在凸轮中心的定坐标系：最后一个坐标系的z 轴在凸轮的转动轴 线上，其它两轴在垂直于凸轮转动轴线的平面上，与凸轮同时旋转。凸轮的工 作轮廓曲面由下面的三个公式求得。 滚子的圆柱工作面方程式： x 2 = r ，y 2 = p c o s 妒 共轭接触方程式： ，、 留妒：上与l 生l c r c o s 妒、q ， 凸轮圆柱形工作面上的接触方程式： z l = x 2c o s c o s o p y 2s i n 妒c o s 8 一z 2s i n 8 一c c o s 8 y l = 一石2c o s s i n 8 + p y 2s i n s i n 0 一z 2c o s 0 + c s i n 8 z l = p x 2s i n 声+ y 2c o s 妒 3 2 弧面分度凸轮的加工原理 3 2 1 原理推导 由弧面分度凸轮机构的工作原理分析可知，弧面分度凸轮机构为定轴传动， 凸轮与转盘的传动可以理解为直廓环面蜗杆副传动，凸轮相当于蜗轩，转盘相 当于蜗轮，转盘上的滚子可理解为蜗轮的齿。由此得出凸轮工作齿面的形成原 理，可概括为：个直径为d 的圆柱体，其中心线通过一个